SHG05页岩气水平井分段压裂管柱受力分析及优化设计软件

1、页岩气水平井分段压裂管柱受力分析及优化设计软件 北京雅丹科技开发有限公司一、 软件概述页岩气藏的储层一般呈低孔和低渗透率的物性特征, 气流的阻力比常规天然气大, 所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采。直井单井产量低，生产周期不长，水平井能够穿过更多的储层，捕获更多的裂缝，单井产量高，生产周期长。目前水平井是页岩气开发井的主要方式。近年来, 水平井分段压裂技术被广泛应用于页岩气藏的开发, 取得显著效果。水平井分段压裂管柱作为联系储层与地面的机械系统在压裂施工过程中传递载荷与动力，管柱要承受多种载荷的联合作用：自重、管内外流体压力、管内外流体流动时的粘滞摩阻、管柱弯曲后与井壁之间的支反力、摩擦力

2、及弯曲弯矩，这些载荷使管柱在一定的应力下发生变形，若应力或变形过大，会导致管柱破坏、封隔器失效、控制头上移等作业事故。压裂过程中的管柱受力已经成为影响措施施工成败的关键因素之一。页岩气水平井分段压裂管柱受力分析及优化设计软件是基于三维井眼轨迹，运用现代力学理论编制成的一套集井下工具数据库、页岩气水平井分段压裂施工管柱设计、管柱力学计算、强度和安全校核、变形计算等为主的应用软件系统，软件在油气井管柱基本力学方程的基础上考虑跨封段管柱的受力特点进行建模，重点分析了不同工况及多（大于两个）封隔器条件下各种效应对跨封段管柱受力的影响，为管柱安全性的判断提供可靠的理论依据，且为管柱设计、后续的施工及工具

3、选型提供重要的理论依据。形成了一套符合现场应用需求的井下管柱力学分析理论及安全强度计算、校核和评价体系。二、软件功能三维井眼描述该模块对任意井眼轨迹进行描述，采用八种不同的数学方法分别求出：（a ）井眼曲率（b ）北向位移（c ）东向位移（d ）垂深（e ）水平位移等。计算结果可绘制成图形并作为数据表格导出，并且该模块能绘制直观的井身三维轨迹。管柱结构图设计管串结构图设计： 包括如下4个部分：(1 施工管串工具组配：依次选择施工井管串的主要工具。(2 管串结构图：将管串连接成图。(3 参数确定：移动光标到管串组件，单击打开工具库，选定工具参数，主要参数自动写到下一页的数据表中。(4 工具参数：

4、依次为前面选择的工具串参数。管柱受力分析目前根据我国页岩气藏的实际情况, 主要有4种水平井分段压裂管柱： 1）裸眼水平井分段压裂管柱，2）双封隔器单卡分段压裂管柱，3）多级桥塞分段压裂管柱，4）环空封隔器分段压裂管柱。目前软件主要针对这四种水平井分段压裂管柱进行力学分析和模型建立。(1根据不同压裂管柱井下工具工作机理，建立合理的井下工具力学抽象模型。(2根据用于计算套管轴侧向载荷的空间管段力学模型推导了适用于计算压裂管柱轴侧向力的轴侧向耦合及非耦合力学模型。(3逐一分析不同工况的载荷和约束情况，把实际工况与力学模型准确对应起来。可以计算的工况包括（a ）下放 （b ）上提 （c ）坐封前 （d

5、 ）注入 （e ）坐封后（f ）压裂时。(4针对输入的管串方案，计算轴向力、侧向接触力等主要力学量，考虑了管柱受到的各种外力因素，其中包括管柱自重、管柱弯曲接触、压裂液/作业液粘滞力等复杂因素的影响， 该模块考虑井口载荷的变化等动态变化因素，其功能点有：根据管柱结构和工作状态，对每个工作点（即下管柱、坐封，注液，解封，起管柱、排液）进行力学分析，计算出管柱的各种对应力学量，并且绘出了管柱在不同深度时井口拉力和扭矩曲线；绘出对应不同摩擦系数取值的拉力/扭矩的上下限；确定管柱与井眼之间的合理摩阻系数。管柱安全性校核安全性校核主要包括两方面：管柱强度校核及管柱稳定性校核。(1强度校核的步骤是先按空间

6、管段法计算出管柱不同深度截面的轴向力，接着计算出相应轴向、周向及径向应力，再将其折算为综合应力，最后由该综合应力与管柱的屈服应力计算出管柱不同测深（包括管柱接头）的综合安全系数，由此判定这个管柱的安全性及危险部位。软件采用了压力面积法及浮力系数法这两种经典方法对轴力进行计算，应用于页岩气水平井分段压裂管柱力学分析；提出了真实轴向力及有效轴向力两种概念，只有有效轴力才是管柱轴力中真正引起管柱破坏及失稳的部分。(2管柱稳定性校核是对管柱可能出现的屈曲形态（正弦弯曲、螺旋弯曲）进行判断，若管柱失稳则分析失稳段与井壁的摩擦力分布，以此为依据指导措施作业或对管柱进行优化设计。管柱组合设计优化根据设计管串

7、的结构，考虑了三维井眼轨迹下的井下管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等，通过在空间上对管柱进行受力分析，建立了计算任意井眼中管柱轴向载荷的通用模型，可以用来设计优化井眼轨迹井中的施工作业管柱。本模块的目的在于：事前防止井下故障的发生。该模块充分考虑井下管柱各种受力情况，考虑压裂施工可行性，设计安全的管柱组合，保证施工安全，避免管柱发生强度破坏而造成井下复杂事故。封隔器管柱系统(1通过计算不同工况特别是坐封与压裂工况条件下跨封段的受力，预测相邻封隔器之间管柱的变形情况。将双封压裂管柱载荷分布规律推广应用到两级以上的分段压裂管柱；(2软件考虑了压裂过程中压裂液与地层的热交换规律及封隔器间距等影响因素；(3对跨封段进行安全校核得到跨封段的安全性及稳定性。区别管柱有效轴力与真实轴力，强调正确使用管柱强度校核及稳定性校核准则的前提条件；(4封隔器安全校核。计算不同工况条件下封隔器承受的压差和轴向力，并与封隔器自身的强度校核图版做对比，确定封隔器本体的安